天目Tech+捕捉“天外来客”：“拉索”首席科学家揭秘观测宇宙线的故事

本文转自：天目新闻

揭示宇宙的奥秘，是人类不懈的追求。如何探测遥远宇宙？研究宇宙线及其起源是重要途径之一。

宇宙线多为带电的高能量粒子流，主要由质子、各种原子核组成。它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。

早在上世纪四五十年代，我国就开始了宇宙线研究。然而，观测宇宙线并非易事。为此，高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）应运而生。

1月18日，“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻在一场直播中，分享了有关超高能光子和“拉索”的诸多细节。

直播截图

宇宙线

不易探测的太空“信使”

一百多年前，通过乘坐热气球进行测量，科学家们发现了宇宙线的存在。

它来自宇宙深处，主要由带电粒子组成，如质子、各种原子核等。这些“天外来客”携带着有关宇宙起源、天体演化等科学信息，以接近光速的速度向外飞行，其中一些粒子具有巨大的能量。

作为重要的太空“信使”，宇宙线被发现后，与之相关的研究不断涌现。

然而，宇宙线高能粒子是如何被加速出来的？它的起源天体又是什么？对此，科学家始终没有确切答案，堪称“世纪之谜”。

曹臻介绍，一方面，捕捉宇宙线并非易事。随着能量的升高，宇宙线强度迅速下降。在1015eV能量，每平米每年才有一个宇宙线粒子，十分稀少。

另一方面，宇宙里不仅弥漫着大大小小、强度不等的磁场，而且它们的分布非常紊乱。“经过磁场的偏转，这些带电的宇宙线粒子就‘迷糊’了。到达地球时，它们‘乱成一锅粥’，我们便无从得知它们究竟从何而来。”曹臻解释道。

幸好，宇宙中还存在一些为数不多的伽马射线和中微子。它们是不带电的粒子，不受磁场干扰。追踪这些粒子，有望帮助科学家找到宇宙线的源头。

观测基地全景航拍 图源：LHAASO官网

“拉索”

有望攻克世纪之谜

在海拔4410米的四川省稻城海子山上，高海拔宇宙线观测站“拉索”正孜孜不倦地探寻着宇宙线的痕迹。

在宇宙线的起源地，宇宙线会与当地的介质碰撞，产生中性高能伽马射线，一些伽马射线就沿直线来到了地球。捕捉伽马射线，是间接探测宇宙线起源的重要手段，这也是“拉索”冲击世纪之谜的秘密武器。

曹臻介绍，“拉索”每时每刻都在接收来自宇宙的信号——混杂着宇宙线粒子和超高能伽马光子。

“光子跟宇宙线的最大差别在于，它来自一个确定的方向，而宇宙线来自各个方向，而且各个方向都是一样多的粒子。”曹臻说。

借助科学方法，“拉索”团队先将光子单独筛选出来。而后，按照光子方向，他们将其放置到对应的天球坐标系中。“拉索”团队发现，这些光子信号来自特定的方向，一团一团地聚集在12个不同的区域，即超高能伽马射线光子源。

其中，“拉索”团队还记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿）。这是迄今人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启“超高能伽马天文学”时代。

2021年5月17日和7月5日，相关重磅成果相继发布在《自然》和《科学》杂志上，有望成为解开宇宙线起源这个“世纪之谜”的突破口。

暴雪后的缪子探测器阵列 图源：LHAASO官网

未来

继续在“无人区”深耕

作为目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置，未来，“拉索”将去往何方？

曹臻表示，“拉索”将继续深耕“世纪之谜”，通过长时间的积累，助力科学家回答两大重大科学难题——高能粒子的加速过程和超高能伽马射线的辐射机制。

据了解，设计之初，“拉索”就瞄准了超高能伽马射线的观测能区。此前，这个领域从未有过灵敏度媲美“拉索”的探测器。从这个角度而言，“拉索”相当于进入了一个科学上的“无人区”。

事实上，现在观测到的12个超高能伽马射线光子源仅是最亮的一批。曹臻表示，“拉索”的设计能力可以探测比它们暗弱七十倍的伽马射线源，因此还有广阔的发现空间。

此外，“拉索”这个复合探测器还能测量特定成分的宇宙线在地球上的能量分布。“这在世界上是独一无二的。”曹臻说。

如若能对此进行系统性研究，将测好的宇宙线分布与从源出发、经过星际空间传播过来的宇宙线对照起来，科学家有望对宇宙线起源问题做一个清晰、全面的描述。

“目前来看，未来10年之内，世界上都不太可能出现一个可替代‘拉索’的新项目。我对‘拉索’的未来充满了信心。”曹臻说。

探测器阵列航拍 图源：LHAASO官网